Construction of spatial sensitivity functions and fast forward modeling of nuclear logs in cased hole environment
Construction de fonctions de sensibilité spatiales et prédictions rapides de diagraphies nucléaires en environnement de puits tubés
Résumé
In petroleum wells, many tools operating on different physical principles are commonly used for data acquisition. This thesis focuses on actives nuclear logging probes involving a neutron or a gamma source. They are used in the oil industry to characterize the well geology and have been initially developed to realize quantitative measurements in open hole conditions where the probe is directly in contact with the rock formation. Once the petroleum well is drilled, a steel casing is installed and cemented, the probes are then no longer in contact with the rock formation and the measurements are considered qualitative due to the complexity of the geometry and the signal attenuation.With the hydrocarbon resources rarefaction, the number of explorations projects decease each year. Petroleum companies have more and more mature wells whose production capacities must be maintained and others at the end of their life which must be abandoned. Those phases require systematically logging measurements. The quantity of logs in cased-hole configuration tends to increase a lot and it becomes necessary to improve their interpretation.The industrial problematic is to characterize quantitatively, in a filed with strong radial heterogeneity, all the components the well (e.g. the fluids, the casing, the cement) and not just the rock reservoir parameters. The approach developed in the thesis is based on the concept of sensitivity function of nuclear logging probes, which represents the 3D dependency of the measurement to the model elements and are obtained by Monte-Carlo simulation. Due to the large number of unknowns, a multiphysical inversion considering the all the measurements of the different nuclear probes (porosity by neutron diffusion, density by gamma diffusion, lithology by neutron-gamma activation) is essential.The first part of the thesis allowed to compare the Monte-Carlo particles transport codes GEANT4 and MCNP for Geosciences applications. Results show a very good agreement for the gamma-gamma physics and a good agreement for the neutron-neutron physics but significant discrepancies for the neutron-gamma physics where MCNP seems to be more relevant.The second part of the thesis allowed to experimental validate Monte-Carlo simulations and to design a sensitivity function computation method specific for the cased-hole configuration. The validation is a comparison between the experimental sensitivity functions measured in calibration center and the numerical sensitivity functions computed using two different methods, the first one based on spatial importances estimated with MCNP and the second one based on interaction locations obtained with GEANT4. The results show good experimental agreement between the measured and calculated radial and axial sensitivity profiles, which validates the concept of sensitivity function with a preference for the interaction locations method which presents greater radial contrast between the different components of the well.The third part of the thesis consisted of making the geological interpretation of a reservoir zone of a cased hole well with sensitivity functions. The neutron-gamma and porosity logs predicted using the sensitivity functions are compared to the measured logs. An optimal earth model is obtained by iteration, showing a good capacity of the fast forward modeling algorithums to quantitatively reproduce the logs in cased-hole configuration providing that a relevant calibration is apply.
Dans les puits pétroliers, de nombreux outils fonctionnant sur différents principes physiques sont couramment utilisés pour l’acquisition de données. Cette thèse se concentre sur les sondes de diagraphies nucléaires actives, faisant intervenir une source neutronique ou gamma. Elles sont utilisées dans l'industrie pétrolière pour caractériser la géologie des puits et ont été initialement développées pour réaliser des mesures quantitatives en conditions puits ouvert où la sonde est en contact direct avec la formation rocheuse. Une fois le puits pétrolier foré, un tube en acier est installé puis cimenté, les sondes ne sont alors plus en contact avec la formation rocheuse et les mesures sont considérées comme qualitatives en raison de la complexité de la géométrie et de l'atténuation du signal.Avec la raréfaction des ressources en hydrocarbures, le nombre de projets d’explorations diminue chaque année. Les compagnies pétrolières ont de plus en plus de puits dont il faut maintenir les capacités de production et d’autres en fin de vie qu’il faut abandonner, ce qui passe systématiquement par des mesures. La quantité de diagraphies en configuration puits tubé tend donc fortement à augmenter et il devient nécessaire d’améliorer leur interprétation.La problématique industrielle est de pouvoir caractériser de manière quantitative, dans un domaine à forte hétérogénéité radiale, l’ensemble de tous les éléments du puits (e.g. les fluides, le tubage, le ciment) et pas uniquement les paramètres du réservoir rocheux. L’approche développée dans la thèse se base sur le concept des fonctions de sensibilité des sondes diagraphiques nucléaires, qui représentent la dépendance en 3D de la mesure aux éléments du modèle et sont obtenues par simulation Monte-Carlo. Du fait du nombre important de variables, une inversion multiphysique prenant en compte l’ensemble des mesures des différentes sondes nucléaires (de porosité par diffusion neutronique, de densité par diffusion gamma, de lithologie par activation neutron-gamma) est indispensable.La première étape de la thèse a permis de comparer les codes Monte-Carlo de transport de particules GEANT4 et MCNP pour des applications de Géosciences. Les résultats montrent un très bon accord pour la physique gamma-gamma, un bon accord pour la physique neutron-neutron mais des écarts significatifs pour la physique neutron-gamma pour laquelle MCNP semble plus pertinent.La deuxième étape de la thèse a permis de valider expérimentalement les simulations Monte Carlo et de concevoir une méthode de calcul des fonctions de sensibilité numériques spécifique au domaine des puits tubés. La validation se traduit par une comparaison entre les fonctions de sensibilité expérimentales mesurées en centre d’étalonnage et les fonctions de sensibilité numériques calculées avec deux méthodes différentes, l’une basée sur des importances spatiales estimées par MCNP, l’autre sur les lieux d’interaction obtenus avec GEANT4. Les résultats montrent un bon accord expérimental entre les profils de sensibilité radial et axial mesurés et calculés, ce qui valide le concept de fonction de sensibilité avec une préférence pour la méthode des lieux d’interaction qui présente un contraste radial plus importante entre les différents constituants du puits.La troisième étape de la thèse a consisté à faire l’interprétation géologique d’une zone réservoir d’un puits tubé avec les fonctions de sensibilité. Les diagraphies neutron-gamma et de porosité prédites grâce aux fonctions de sensibilité sont comparées à celles mesurées en puits. Un modèle de terrain optimal est obtenu par itération, montrant une bonne capacité des algorithmes de prédiction à reproduire quantitativement en configuration puits tubé ce type de diagraphies à condition de choisir un étalonnage pertinent.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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